Оценка и роль теплозащиты общественных зданий

А. Л. Наумов, вице-президент НП «АВОК», генеральный директор ООО «НПО Термэк»

В действующих нормах уровень энергетической эффективности зданий, в том числе общественных, характеризуется «значением удельного расхода тепловой энергии на отопление здания за отопительный период» [1].

За рамками этого определения остаются расходы энергии на другие системы инженерного обеспечения здания: системы кондиционирования воздуха и холодоснабжения, электроснабжения вентиляторов и насосов, освещения, что, по крайней мере, не логично, так как инвестиционные и эксплуатационные затраты на неохваченные нормами энергопотребляющие инженерные системы значительно превышают показатели системы отопления.

Такая трактовка энергоэффективности здания не согласуется и с общепринятыми определениями в отечественной и зарубежной практике [2].

Повышение сопротивления теплопередаче непрозрачных наружных ограждающих конструкций (стен, покрытий) не может рассматриваться как определяющий фактор энергосбережения при эксплуатации зданий [3].

Кроме того, регламентируемая нормами [1] связь энергопотребления систем отопления и уровня теплозащиты наружных ограждений общественных зданий нуждается в уточнении.

В общественных зданиях, оборудованных системами кондиционирования воздуха, трансмиссионные теплопотери и теплопоступления в теплый и переходный периоды года в значительной мере влияют на энергозатраты систем холодоснабжения.

Рассмотрим влияние теплопотерь в годовом режиме на уровень теплозащиты наружных ограждений на примере офисных зданий в климатических условиях Москвы.

Офисные здания характеризуются значительными внутренними тепловыделениями. В табл. 1 представлены данные об уровне удельных тепловыделений на 1 м² офисной площади в зависимости от плотности размещения сотрудников.

Величина внутренних тепловыделений соизмерима, а в ряде случаев превышает расчетные трансмиссионные теплопотери офисных зданий. Нагрузка на систему отопления в значительной степени зависит от режима работы офисов, который можно характеризовать числом рабочих часов в неделю. Для нашего анализа разделим офисные здания на три категории по степени теплонапряженности* (табл. 2).

К I категории относятся учреждения с 5-дневной рабочей неделей и 8–9-часовым рабочим днем. II категория предполагает средний по загрузке режим работы, а III – высокую загрузку – 6–7-дневную рабочую неделю с 10–12-часовым рабочим днем.

Чем выше внутренние тепловыделения и продолжительность рабочей недели, тем короче отопительный период и больше период работы системы холодоснабжения. В зависимости от уровня теплозащиты здания потребность в холоде систем кондиционирования воздуха для офисных зданий I категории наступает при среднесуточной температуре наружного воздуха 0–5 °С, II категории 0…-5 °С, и для III категории ниже -5 °С.

Примем, что в офисах круглый год поддерживается температура воздуха 22 ± 2 °С.

В холодный период года, когда трансмиссионные теплопотери здания превышают внутренние тепловыделения, дефицит тепловой энергии восполняется системой отопления. Система отопления с помощью термостатических регуляторов, настроенных на 20 °С, автоматически поддерживает заданную температуру как в рабочее время, так и в нерабочее.

С повышением температуры наружного воздуха теплопотери становятся соизмеримыми с внутренними тепловыделениями. В рабочее время термостаты отключают подачу тепла в отопительные приборы и включаются во внерабочее время при снижении температуры воздуха ниже 20 °С.

За счет внутренних тепловыделений и солнечной радиации к концу рабочего времени температура воздуха может достигать 23–24 °С. Благодаря теплоустойчивости здания в нерабочий период температура воздуха может не снизиться до 20 °С и система отопления останется отключенной.

В переходный период при превышении температуры воздуха в помещениях 24 °С включается в работу система кондиционирования воздуха. В этот период потенциал трансмиссионных теплопотерь достаточно большой и определяется разностью температуры наружного и внутреннего воздуха в 20–25 °С. Теплопотери в этот период играют положительную роль, снижая нагрузку на систему холодоснабжения. С повышением температуры наружного воздуха теплопотери здания снижаются, а при достижении среднесуточной наружной температуры выше 24 °С имеет место обратный процесс – трансмиссионные теплопоступления, повышающие нагрузку на систему холодоснабжения.

В климатических условиях Москвы в офисных зданиях величина трансмиссионных теплопоступлений в теплый период года составляет 2–3 % от величины теплопотерь, приходящихся на период работы системы кондиционирования воздуха (по отношению к температуре внутреннего воздуха 24 °С).

Для справки приведем некоторые климатические данные по Москве за 2008 год (табл. 3) [4].

Если судить по среднемесячным данным для офисных зданий с учетом внутренних тепловыделений период работы систем отопления приходится в основном на три зимних месяца, а потребность в холоде проявляется в течение 7–8 месяцев. Число солнечных дней в летние месяцы составляет 15–18 дней (менее 20 %), на остальные дни приходится переменная облачность и пасмурная погода.

Для анализа теплопотерь и теплопоступлений необходимо вводить в расчеты условную лучисто-конвективную наружную температуру с добавкой, учитывающей воздействие солнечной радиации. Для теплого периода года в солнечные дни добавка к среднесуточной температуре наружного воздуха может составлять 3–5 °С, в пасмурные дни 2–3 °С.

Проанализируем, как влияет уровень трансмиссионной теплозащиты на нагрузки в системах отопления и кондиционирования воздуха для трех категорий офисных зданий (табл. 2).

Выполненные расчеты носят оценочный характер. Принято, что во всех категориях зданий светопрозрачные ограждения имеют одинаковые размеры и теплофизические характеристики. В зданиях используется изотермическая вентиляция (температура приточного воздуха равна температуре внутреннего воздуха), что позволяет исключить вентиляцию из тепловых балансов сравниваемых вариантов.

Площадь наружных поверхностей здания равна половине внутренних площадей здания. Все здания одинаковой формы. Влияние проникающей солнечной радиации учитывается добавкой к внутренним тепловыделениям.

Результаты расчетов удельных расходов тепловой энергии на отопление зданий приведены в табл. 4. Нагрузки отнесены к 1 м² отапливаемой площади за весь отопительный период.

Сопротивление теплопередаче здания является приведенной величиной, учитывающей всю оболочку здания.

Отметим, что удельные расходы тепловой энергии относятся только к отоплению и не включают расходы тепла на механическую вентиляцию.

Выполним аналогичные расчеты для нагрузки на холодоснабжение систем кондиционирования воздуха. В первом приближении не будем учитывать теплопотери в кондиционируемых зданиях при среднесуточной температуре ниже 0 °С. Будем считать, что в этот период используется система «свободного» охлаждения (dry-cooler) с минимальными энергетическими затратами, которыми пренебрежем.

В табл. 5 приведены удельные показатели снижения потребления холода за счет теплопотерь зданий в теплый и переходный периоды года.

Для зданий I категории теплонапряженности величина «летних» теплопотерь составляет около 30 % от «зимних», для II категории около 45 %, для III категории – 70 %.

Очевидно, что для всех категорий офисных зданий экономия энергии в системах холодоснабжения весьма ощутима, и не учитывать ее при определении уровня теплозащиты ограждений было бы неправильно.

На базе данных табл. 4 и 5 сделаем предварительный экономический анализ повышения уровня теплозащиты наружных ограждений.

В системах отопления основой эксплуатационных затрат является тепловая энергия, в традиционных системах холодоснабжения – электрическая. В зависимости от видов оборудования и конструктивных решений систем эксплуатационная стоимость холода в 2–4 раза выше теплоты.

Примем стоимость тепловой энергии 0,6 руб./кВт•ч, а холода 1,5 руб./кВт•ч. За базовый вариант для сравнения примем офисное здание с приведенным сопротивлением теплопередаче 1 (м²•°С)/Вт. Стоимость дополнительных затрат на увеличение сопротивления теплопередаче примем ориентировочно с учетом результатов исследований В. Г. Гагарина [3]. Результаты расчетов представлены в табл. 6.

Для I категории зданий с сопротивлением R_зд = 2 (м²•°С)/Вт экономия эксплуатационных затрат на отопление-охлаждение составит 0,63 руб./м²•год, а дополнительные инвестиции на его «утепление» 160 руб./м², соответственно, для здания с R_зд = 3 (м²•°С)/Вт экономия энергии 1,38 руб./м², а затраты на утепление 250 руб./м².

Для зданий II и III категорий повышение уровня теплозащиты наружных ограждений приводит к перерасходу эксплуатационных затрат.

Другими словами, увеличение сопротивления теплопередаче здания с 1 до 2 (м²•°С) / Вт приводит к увеличению затрат на отопление и охлаждение здания на 1,15 руб./м²•год для общественных зданий II категории, а для зданий III категории 4,68 руб./м²•год. Еще более нерентабельно утепление здания до значения сопротивления теплопередаче здания 3 (м²•°С) / Вт. В этом случае убытки возрастают до 1,47 руб./м²•год для зданий II категории и до 5,31 руб./м²•год для зданий III категории. Убытки по оплате тепла и электроэнергии в табл. 6 показаны со знаком «–».

Таким образом, для офисных зданий в климатических условиях Москвы экономически целесообразный уровень теплозащиты приближается к приведенному сопротивлению теплопередаче здания 1 (м²•°С)/Вт, что существенно ниже рекомендаций нормативного документа [1].

Разумеется, должны быть соблюдены санитарно-гигиенические требования к наружным ограждающим конструкциям как в части температуры точки росы, так и в части перепада температуры воздуха и внутренней поверхности наружных ограждений.

Безусловно, приведенные выкладки носят оценочный характер и выполнены с рядом допущений. Предметный анализ конкретных объектов следует выполнять на базе современных программных продуктов по расчету годового теплового режима зданий с рассмотрением вариантов выбора инженерного оборудования, конструктивных решений теплозащиты ограждений, инвестиционных затрат на оборудование и материалы, стоимости присоединения к энергетическим сетям.

Как повлияют наружные климатические условия на необходимость годового учета теплопотерь-теплопоступлений в кондиционируемых офисных заданиях? Очевидно, что в южных районах экономика систем кондиционирования воздуха будет превалировать над затратами на системы отопления. В северной климатической зоне тоже не обойтись без учета теплопотерь-теплопоступлений для офисных зданий, так как определяющим фактором необходимости систем кондиционирования воздуха остаются внутренние тепловыделения, не зависящие от климата, а возможность снижения нагрузки на холодоснабжение за счет трансмиссионных теплопотерь дает положительный экономический эффект.

Представляется, что новый подход к оценке целесообразного уровня теплозащиты и содержанию энергетического паспорта зданий следует применять не только к офисным зданиям, но и к зданиям всех категорий, где предусматриваются системы кондиционирования воздуха. Этот перечень охватывает торгово-развлекательные и физкультурно-оздоровительные комплексы, учреждения культуры, здравоохранения, образования, жилые комплексы.

Литература

1. СНиП 23-02-2003. Тепловая защита зданий. – М., 2004.

2. Табунщиков Ю. А., Бродач М. М., Шилкин Н. В. Энергоэффективные здания. – М. : АВОК-ПРЕСС, 2003. www.abok.ru.

3. Гагарин В. Г. Методы экономического анализа повышения уровня теплозащиты ограждающих конструкций зданий // АВОК. – 2009. – №№ 1–3. 

4. www.pogoda.ru

* Теплонапряженность зданий влияет на продолжительность отопительного периода и периода работы системы охлаждения установок кондиционирования воздуха.